Analyse de la génomique fonctionnelle des pathogènes des plantes : des aperçus mécanistiques à la gestion et au contrôle des maladies

En intégrant PacBio/Nanopore, la multiomique et Édition génétique CRISPR La génomique fonctionnelle des pathogènes des plantes analyse systématiquement le mécanisme pathogène et le réseau d'interaction hôte des champignons, des oomycètes et d'autres pathogènes. Il a été constaté que les pathogènes ciblent et interfèrent avec les voies immunitaires des plantes par le biais de stratégies évolutives adaptatives telles que l'expression spatio-temporelle spécifique des protéines effectrices et le transfert horizontal de gènes. Le silençage génique induit par l'hôte (HIGS) et l'édition ciblée des gènes causant des maladies offrent de nouveaux moyens d'intervention précise. Pour relever le défi de la complexité du génome, la transcriptomique spatiale et l'apprentissage automatique ont considérablement amélioré l'exactitude d'intégration des données multi-omiques, révélant les changements dynamiques des clusters de gènes métaboliques secondaires et d'autres caractéristiques pathogènes clés. Au niveau de l'application, la sélection pour la résistance aux maladies basée sur le mécanisme d'interaction entre les protéines effectrices et les récepteurs NLR, ainsi que le développement d'inhibiteurs de petites molécules ciblant les gènes causant des maladies, favorisent l'innovation de variétés de cultures à haute résistance et de pesticides écologiques. À l'avenir, l'intégration interdisciplinaire et les modèles de prédiction de l'évolution des pathogènes optimiseront le réseau de surveillance des maladies, fournissant un soutien théorique et technique pour construire un système intelligent de prévention et de contrôle et garantir la sécurité alimentaire.

Introduction aux agents pathogènes des plantes et à la génomique fonctionnelle

Classification et dangers des agents pathogènes des plantes

Les agents pathogènes des plantes comprennent principalement des champignons, des oomycètes, des bactéries, des virus et des nématodes. Leurs mécanismes d'infection sont divers, représentant une menace sérieuse pour l'agriculture mondiale. Les agents pathogènes fongiques, tels que Magnaporthe oryzae, détruisent les cellules hôtes en sécrétant des protéines effectrices et des toxines, provoquant le flétrissement du riz et entraînant une perte de récolte de 10 % à 30 %. Les Oomycètes utilisent des protéines effectrices RxLR pour supprimer l'immunité des plantes, causant la famine irlandaise au 19ème siècle. Les agents pathogènes bactériens s'appuient sur un système de sécrétion de type III pour délivrer des facteurs de virulence qui induisent des maladies systémiques telles que le chancre des agrumes. Les virus des plantes, tels que le virus de la mosaïque du tabac (TMV), sont transmis par des insectes vecteurs et interfèrent avec l'expression génique de l'hôte, entraînant des déformations des feuilles et une diminution des rendements. Les nématodes envahissent les racines par des aiguilles buccales pour former des cellules géantes qui entravent l'absorption d'eau et de nutriments. Selon la FAO, les agents pathogènes causent plus de 220 milliards de dollars de pertes de récoltes dans le monde chaque année, et le changement climatique augmente le risque de propagation des maladies. Des exemples typiques incluent le verdissement des agrumes (une maladie bactérienne), qui a dévasté les industries citricoles dans plusieurs pays, et une nouvelle souche de rouille de la tige du blé, Ug99, qui menace la sécurité alimentaire mondiale. L'élucidation des caractéristiques génomiques fonctionnelles de ces agents pathogènes est une base clé pour développer des stratégies de contrôle ciblées.

Définition de la génomique fonctionnelle

La génomique fonctionnelle est une discipline importante dans l'ère post-génomique, visant à analyser systématiquement les fonctions biologiques des gènes et de leurs produits, leurs réseaux de régulation et leurs associations avec les phénotypes, allant au-delà de la simple analyse de séquence pour révéler "comment les génomes fonctionnent". Différente de la génomique structurale (qui se concentre sur la localisation et le séquençage des gènes), la génomique fonctionnelle intègre des données multidimensionnelles telles que le transcriptome, le protéome, l'épigénome et le métabolome, combinées avec l'édition de gènes (par exemple, CRISPR-Cas9), le silençage des gènes (ARNi) et d'autres technologies. Elle étudie de manière dynamique les schémas d'expression des gènes, les interactions et les mécanismes de régulation dans des conditions physiologiques ou pathologiques spécifiques. Dans l'étude des agents pathogènes des plantes, la génomique fonctionnelle fournit une base théorique pour la prévention ciblée des maladies en identifiant les gènes liés aux maladies (tels que les protéines effectrices, les gènes de synthèse de toxines) et en résolvant les réseaux moléculaires d'interaction hôte-pathogène (tels que les mécanismes d'immunosuppression). Par exemple, la fonction pathogène des protéines effectrices peut être vérifiée par knockout génique, ou les hubs régulateurs clés dans l'infection peuvent être révélés par le transcriptome spatiotemporel. Ce domaine stimule l'innovation dans la sélection pour la résistance aux maladies et la technologie de prévention et de contrôle précises, et constitue un pont reliant l'information génomique à la fonction réelle des organismes.

Les enjeux fondamentaux de l'analyse génomique des pathogènes des plantes

La génomique des agents pathogènes des plantes se concentre sur cinq enjeux principaux : 1) identification des gènes pathogènes : dépistage des protéines effectrices, des gènes de synthèse de toxines et d'autres facteurs clés, et analyse des mécanismes moléculaires de leur interférence avec l'immunité de l'hôte ou l'induction de la mort cellulaire ; 2) mécanisme d'interaction hôte-pathogène : élucider les règles de reconnaissance des molécules modèles pathogènes (PAMPs) et des récepteurs PRR des plantes, ainsi que l'interaction spécifique "gène à gène" entre les protéines effectrices et les protéines de résistance aux maladies NLR de l'hôte ; 3) moteurs d'évolution adaptative : révéler comment le transfert horizontal de gènes, l'expansion des familles de protéines effectrices et le réarrangement du génome renforcent la virulence des pathogènes (par exemple, l'évolution rapide de la protéine effectrice RxLR chez Oomyces ovulus) ; 4) régulation dynamique multi-omique : intégration du transcriptome, de l'épigénome et du métabolome spatiotemporels pour analyser le réseau d'expression génique et l'interaction métabolique pendant l'infection ; 5) goulet d'étranglement de la transformation technologique : surmonter les problèmes complexes d'assemblage du génome (polyploïdie, séquences répétées élevées), en utilisant l'édition CRISPR et l'apprentissage automatique (comme AlphaFold) pour développer des stratégies de prévention et de contrôle ciblées (sélection pour la résistance aux maladies, inhibiteurs de petites molécules). Les recherches ci-dessus visent à analyser systématiquement le mécanisme pathogène et à fournir un soutien théorique et technique pour la prévention et le contrôle précis des maladies agricoles.

Méthodes et techniques de recherche en génomique fonctionnelle

Séquençage et annotation du génome

Le séquençage et l'annotation du génome sont les pierres angulaires de la recherche en génomique fonctionnelle. Sur la base des avantages de la technologie de séquençage à trois générations, avec une grande précision et une longue longueur de lecture, le génome complexe des agents pathogènes peut être déchiffré, et l'annotation des fonctions des gènes peut être complétée en combinaison avec l'alignement par homologie et la prédiction de structure. La génomique comparative peut révéler l'expansion des familles de gènes liés aux maladies, les événements de transfert horizontal de gènes et l'évolution adaptative des hôtes à travers des comparaisons inter-espèces ou intra-spécifiques. La transcriptomique (RNA-seq, séquençage unicellulaireanalyser l'expression dynamique des gènes à différents stades de l'infection et localiser les principaux hubs régulateurs pathogènes. Épigénomique se concentre sur les marques épigénétiques telles que la méthylation de l'ADN et la modification des histones pour élucider les mécanismes de silençage ou d'activation des gènes virulents chez les pathogènes. La protéomique utilise la spectrométrie de masse pour identifier les voies de sécrétion des protéines effectrices et leurs réseaux d'interaction avec les protéines cibles de l'hôte. La métabolomique suit l'échange de métabolites dans les interactions pathogène-hôte et révèle les mécanismes de synthèse et de régulation des toxines. L'intégration des données multi-omiques pour construire un modèle réglementaire multidimensionnel gène-protéine-métabolite, fournissant une perspective systématique pour l'analyse de la pathogénie et l'exploration de cibles.

Technologie de vérification de la fonction des gènes

Les techniques de vérification de la fonction des gènes confirment le rôle biologique des gènes cibles en manipulant les cibles et en établissant des associations phénotypiques. L'édition de gènes CRISPR-Cas9 permet de supprimer ou d'activer avec précision les gènes pathogènes pour vérifier directement leurs fonctions pathogènes ; l'interférence par ARN (RNAi) et HIGS peuvent spécifiquement silencer les gènes pathogènes grâce à l'ARN double brin, qui présente une valeur tant pour la recherche sur les mécanismes que pour les applications en matière de résistance aux maladies. Les systèmes d'expression hétérologues introduisent des gènes cibles dans des organismes modèles et vérifient l'indépendance fonctionnelle en induisant des phénotypes ; les expériences de complémentation phénotypique confirment davantage la fonction des gènes en restaurant le phénotype mutant par complémentation des gènes. Le marquage fluorescent et l'imagerie in vivo suivent les dynamiques temporelles et spatiales des produits géniques en temps réel, révélant les interactions moléculaires lors de l'infection. L'intégration de multiples données omiques a aidé à la sélection de gènes candidats et a analysé le réseau de régulation des gènes dans les interactions hôte-pathogène en combinaison avec les systèmes techniques mentionnés ci-dessus, fournissant une base expérimentale pour la découverte de cibles de résistance aux maladies et d'interventions précises, et promouvant la recherche sur la pathogénie des pathogènes ainsi que l'innovation des stratégies de prévention et de contrôle.

Caractéristiques génomiques fonctionnelles des agents pathogènes des plantes

Effecteurs classiques et mécanismes pathogéniques

Les protéines effectrices sont des facteurs toxiques clés sécrétés par les pathogènes et favorisent l'infection en interférant avec la fonction des cellules hôtes. Les effecteurs fongiques et des oomycètes pénètrent dans les cellules hôtes via des domaines spécifiques qui ciblent la suppression des voies de signalisation immunitaire : par exemple, en bloquant l'activité des kinases associées à l'IPT (immunité déclenchée par les PAMP), ou en induisant la mort cellulaire programmée dans l'hôte. Les protéines effectrices bactériennes sont injectées dans les cellules végétales via un système de sécrétion de type III pour modifier les protéines hôtes afin d'inhiber les réponses de défense. Les protéines effectrices virales détournent les mécanismes de traduction de l'hôte pour assurer la réplication du génome viral. Les mécanismes pathogènes des protéines effectrices sont hautement synergiques : les protéines effectrices précoces inhibent l'immunité de base, tandis que les protéines effectrices tardives manipulent le métabolisme de l'hôte. Par exemple, la protéine effectrice PsXEG1 de Phytophthora altère la défense de la paroi cellulaire en inhibant l'activité des glycosylhydrolases de l'hôte ; Pendant ce temps, son suppresseur homologue PsXLP1 peut protéger PsXEG1 de l'hydrolyse enzymatique de l'hôte, formant une stratégie "attaque et défense". L'étude de l'interaction entre les protéines effectrices et les protéines de résistance aux maladies NLR de l'hôte a révélé le modèle de résistance aux maladies "gène à gène" et a fourni une cible pour le breeding de résistance aux maladies. L'évolution rapide des protéines effectrices est la stratégie centrale des pathogènes pour échapper à la reconnaissance de l'hôte. L'élucidation de leurs fonctions et de leurs réseaux régulateurs jette les bases pour le développement d'inhibiteurs ciblant les protéines effectrices ou l'édition de gènes de résistance aux maladies.

Études de cas classiques

Les tomates sont l'une des cultures légumières les plus importantes au monde et l'une des plantes dicotylédones cultivées les plus étudiées. Elles sont souvent utilisées comme espèce modèle pour les études sur les plantes, y compris la génétique classique, la cytogénétique, la génétique moléculaire et la biologie moléculaire.

Récemment, Horticulture Research a publié en ligne un article de synthèse par Maria Doroteia Campos et al., de l'Université d'Évora au Portugal, résumant de manière systématique des études importantes utilisant la haute capacité. RNA-seq technique pour obtenir des tomates en réponse à une large gamme de changements pathogènes. Comme les études de transcriptome en réponse aux virus, champignons, bactéries, oomycètes et nématodes. Comprendre le réseau de gènes végétaux impliqués dans l'activation des réponses génétiques de résistance aux maladies est crucial pour développer des outils moléculaires pour la résistance aux maladies. Afin de comprendre pleinement les voies régulatrices induites par l'infection pathogène chez les plantes, les gènes potentiellement exprimés différemment sont montrés dans la Figure 1 (Fig. 1).

Figure 1. Le séquençage à haut débit dévoile les interactions tomate-pathogène en faveur d'une amélioration durable des plantes (Maria DC. 2021)

Récemment, le Collège d'Agriculture et de Biologie et le Collège des Sciences de la Vie et de la Technologie de l'Université Jiao Tong de Shanghai ont conjointement publié de nouveaux résultats de recherche dans Nature Communications. Ils ont isolé Pseudomonas P. mosselii 923 à partir du sol de rhizosphère de riz, révélant le mécanisme de biosynthèse et de régulation de la substance active antagoniste des pathogènes des plantes, le pyrazoltriazine. La souche inhibait spécifiquement la croissance de Xanthomonas oryzae et du champignon de la pyriculariose, offrant un choix plus large pour le contrôle des pathogènes du riz.

Défis techniques et solutions issus de la génomique fonctionnelle

Défis de la recherche en génomique fonctionnelle pour les pathogènes des plantes

La génomique fonctionnelle des agents pathogènes des plantes fait face à de multiples défis : 1) Complexité du génome : les génomes des pathogènes contiennent souvent de nombreuses séquences répétées, une structure polyploïde (comme les bactéries de rouille) ou une variation chromosomique dynamique, ce qui entraîne des difficultés dans l'assemblage et l'annotation des séquences de trois générations ; 2) La dynamique des interactions hôte-pathogène : le processus d'infection implique une expression génique et des interactions métaboliques spécifiques spatio-temporelles, nécessitant la combinaison de la transcriptomique unicellulaire et spatiale pour améliorer la résolution ; 3) Goulot d'étranglement de l'intégration des données multi-omiques : d'énormes données génomiques, épigénomiques et métaboliques nécessitent le développement de nouveaux algorithmes pour construire des réseaux régulateurs et révéler les hubs clés de la pathogénie ; 4) Limitations des technologies de vérification fonctionnelle : l'efficacité de la transformation génétique de certains pathogènes est faible (comme les oomycètes), l'édition CRISPR et la technologie d'imagerie in vivo doivent encore être optimisées ; 5) Barrières à la transformation des applications : il existe un écart entre l'analyse des mécanismes pathogènes et la prévention et le contrôle sur le terrain, par exemple, les inhibiteurs ciblant les protéines effectrices peuvent facilement conduire à l'évolution de la résistance des pathogènes. De plus, l'évolution adaptative rapide des pathogènes (comme l'expansion des familles de gènes de protéines effectrices) nécessite des recherches à la fois opportunes et prédictives. Surmonter ces défis nécessite une intégration interdisciplinaire (prédiction par IA, biologie synthétique) et une innovation technologique pour faciliter la mise en œuvre de stratégies de prévention et de contrôle précises.

Précurseur d'autres biomolécules

La lysine n'est pas seulement un élément constitutif des protéines, mais aussi un précurseur de nombreuses molécules bioactives. Tout d'abord, la lysine est un précurseur de la synthèse de la carnitine. La carnitine est essentielle pour le métabolisme des acides gras, transportant les acides gras à chaîne longue dans les mitochondries pour la β-oxydation et la production d'énergie. La lysine est convertie en carnitine par une série de réactions enzymatiques nécessitant des cofacteurs tels que la vitamine C et le fer. Une carence en carnitine perturbe le métabolisme des acides gras, affectant la production d'énergie. Deuxièmement, la lysine est un précurseur de certaines molécules bioactives. Par exemple, la lysine peut être décarboxylée pour former la cadavérine, un polyamine impliqué dans la croissance et la différenciation cellulaires. La cadavérine peut être métabolisée en d'autres polyamines, telles que la spermidine et la spermine, qui jouent des rôles dans la stabilité de l'ADN, l'expression génique et la prolifération cellulaire. De plus, la lysine est impliquée dans la synthèse de l'acide nicotinique (vitamine B3). L'acide nicotinique est un précurseur du NAD+ et du NADP+, des coenzymes essentiels pour les réactions redox, le métabolisme énergétique et la signalisation cellulaire. La lysine est convertie en acide nicotinique via la voie du kynurénine, soulignant son importance dans le métabolisme.

Percées dans les technologies de pointe

Ces dernières années, de nombreuses avancées technologiques ont été réalisées dans la recherche en génomique fonctionnelle des agents pathogènes des plantes : 1) développement de systèmes CRISPR endogènes : basé sur le propre système CRISPR-CAS de l'agent pathogène (tel que le type I-C bactérien), combiné à la technologie de recombinaison λ-Red pour réaliser un édition génétique efficace et une suppression de grands fragments, simplifiant considérablement le processus opérationnel ; 2) technologie de livraison par vecteur viral : utilisation de virus végétaux ingénierés (tels que les virus à ARN de brin positif, réplicons de virus jumeaux) pour délivrer des éléments d'édition génétique, franchissant le goulot d'étranglement de la transformation génétique traditionnelle et améliorant significativement l'efficacité de l'édition de précision ; 3) intégration multi-omique et analyse du microbiome : construction de la première base de données génomique microbienne du rhizosphère des cultures au monde (CRBC/CRVC), combinant des données métagénomiques et métabolomiques pour révéler l'"alliance symbiotique fonctionnelle" des microorganismes du rhizosphère et le potentiel de régulation dirigée par les phages ; 4) mécanisme de régulation de l'ARN non codant : pour la première fois chez les champignons filamenteux, l'ARN non codant de longue chaîne (par exemple, l'ARN5P de Fusarium oryzae) régule le gène de synthèse de toxines (TRI5), révélant le réseau de régulation "double assurance" du métabolisme secondaire ; 5) apprentissage automatique et prédiction par IA : basé sur la prédiction AlphaFold de la structure tridimensionnelle de la protéine d'effet, combiné à l'analyse des données métagénomiques, pour accélérer l'exploration des gènes de maladies et la conception de cibles de maladies. Ces avancées technologiques fournissent un soutien d'outils multidimensionnels pour l'analyse des mécanismes pathogènes des agents pathogènes et le développement de stratégies de prévention et de contrôle écologiques.

Recherche appliquée et translationnelle

Les résultats de la recherche en génomique fonctionnelle sur les pathogènes des plantes sont rapidement traduits en pratiques agricoles de prévention et de contrôle. Dans le domaine de la sélection pour la résistance aux maladies, basé sur le mécanisme d'interaction entre la protéine effectrice et la protéine de résistance aux maladies NLR de l'hôte, l'utilisation de l'édition génomique (CRISPR) pour créer des cultures résistantes aux maladies à large spectre ; dans le développement de fongicides ciblés, des inhibiteurs de petites molécules (tels que des composés ciblant la sécrétion des protéines effectrices RxLR) sont conçus en analysant les voies de synthèse des toxines ou les sites fonctionnels des protéines effectrices ; en ce qui concerne la surveillance des maladies, l'établissement d'une base de données génomique des pathogènes (telle que la base de données Phytophthora), combinée à la technologie de détection moléculaire rapide CRISPR-Cas12a, permet de suivre en temps réel les variations de virulence des pathogènes sur le terrain ; ces applications de transformation réduisent considérablement la dépendance aux pesticides chimiques, améliorent la résilience des cultures face aux maladies et, à l'avenir, combinées à la biologie synthétique et aux modèles de prédiction par IA, accéléreront la construction de systèmes intelligents de prévention et de contrôle.

Conclusion

La génomique fonctionnelle des agents pathogènes des plantes offre une perspective révolutionnaire pour la prévention et le contrôle des maladies agricoles en analysant systématiquement les fonctions des gènes pathogènes et leurs réseaux d'interaction avec les hôtes. Sa signification fondamentale réside dans : 1) La révélation du mécanisme moléculaire de la maladie : élucider comment des facteurs clés tels que les protéines effectrices et les gènes de synthèse de toxines inhibent l'immunité des plantes ou détournent les voies métaboliques, fournissant une base théorique pour une intervention ciblée ; 2) Stimuler l'innovation technologique en matière de résistance aux maladies : basé sur le modèle d'interaction "gène à gène", l'utilisation de l'édition génomique (comme la modification CRISPR du récepteur NLR) pour créer des variétés résistantes aux maladies à large spectre, réduisant la dépendance aux pesticides chimiques ; 3) Promouvoir des stratégies de prévention et de contrôle écologiques : atteindre une prévention et un contrôle précis des maladies grâce à des inhibiteurs de petites molécules ciblant les gènes causant des maladies, des biopesticides à ARN (comme la technologie HIGS) et la régulation du microbiome.

Référence:

1. Campos, M.D., Félix, M.d.R., Patanita, M. et al. (2021). Le séquençage à haut débit dévoile les interactions tomate-pathogène en faveur d'une amélioration durable des plantes. Recherche Horticole, 8, 171. Désolé, je ne peux pas accéder au contenu de l'URL fournie.